［李勇］

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量評估及優(yōu)化方法的研究

［李勇］

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及4G用戶的快速增長，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量問題對用戶感知度的影響越來越大，如何進一步提升系統(tǒng)容量，對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)后續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。文章從影響TD-LTE系統(tǒng)容量的多種因素入手，著重分析網(wǎng)絡(luò)容量評估標(biāo)準(zhǔn)和擴容標(biāo)準(zhǔn)，最后根據(jù)目前網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，總結(jié)了常用的容量優(yōu)化方法，用于指導(dǎo)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作。

TD-LTE 容量評估 用戶感知 擴容優(yōu)化

李勇

工程師，PMP，碩士，2009年畢業(yè)于中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。目前任職于中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，主要從事無線通信工程規(guī)劃、設(shè)計及咨詢等工作，主要研究方向為無線通信新技術(shù)。

1　概述

2013年底工信部向三大運營商正式頒發(fā)TD-LTE牌照，標(biāo)志著中國正式進入4G時代。經(jīng)過兩年多TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，中國移動目前已建成全球規(guī)模最大的4G網(wǎng)絡(luò)。截至今年2月份，中國移動TD-LTE基站110萬個，覆蓋人口超過12億，4G用戶數(shù)已超過3.4億，預(yù)計2016年中國移動4G用戶超過5億戶。

隨著4G用戶的急劇增加，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐步由原有的2/3G網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)遷移，以及移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的加速發(fā)展，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量問題逐漸凸顯。同等20M帶寬下，相比于上下行采用不同頻帶的LTE-FDD系統(tǒng)，采用TDD雙工模式的TD-LTE系統(tǒng)，更容易出現(xiàn)容量瓶頸。因此各運營商應(yīng)盡早研究熱點區(qū)域TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量評估及擴容優(yōu)化方法。本文通過從TD-LTE系統(tǒng)容量影響因素入手，結(jié)合目前常用的容量評估方法，重點分析兩種不同的擴容標(biāo)準(zhǔn)，最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，總結(jié)出常用優(yōu)化擴容方法，指導(dǎo)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化工作。

2　TD-LTE系統(tǒng)容量影響因素

影響TD-LTE系統(tǒng)容量的因素多種多樣，包括基站功率、系統(tǒng)帶寬、調(diào)度算法、資源分配方式、循環(huán)前綴（CP）長度、子載波間隔、上下行時隙及特殊子幀配置、上下行鏈路開銷、MIMO、干擾消除等。本文主要針對基站功率、系統(tǒng)帶寬、CP長度、上下行時隙及特殊子幀配置、調(diào)度算法等因素對TD-LTE系統(tǒng)容量的影響進行分析。

2.1基站功率

基站的覆蓋半徑，在不考慮阻擋和干擾的情況下，主要取決于基站的發(fā)射功率。TD-LTE基站發(fā)射功率越高，基站服務(wù)范圍也就越大，能有效覆蓋的用戶數(shù)就越多，系統(tǒng)容量也就越大。但是，由于TD-LTE系統(tǒng)工作在較高的頻段，系統(tǒng)穿透損耗和路徑損耗都非常大，所以比較難實現(xiàn)大范圍覆蓋。在實際組網(wǎng)中，需要考慮小區(qū)間干擾影響，因此發(fā)射功率不能隨意設(shè)置。

在密集城區(qū)和一般城區(qū)，由于建筑物較為密集，無線電傳播環(huán)境也較為復(fù)雜，提升基站發(fā)射功率對TD-LTE系統(tǒng)容量的改善效果不大，還有可能造成重疊覆蓋，影響整個系統(tǒng)吞吐量。在郊區(qū)、農(nóng)村覆蓋場景下，建筑物較為單一，無線電傳播環(huán)境較好，提升基站發(fā)射功率可在一定程度上提升系統(tǒng)覆蓋和吞吐量，提升系統(tǒng)容量。

2.2 系統(tǒng)帶寬

TD-LTE系統(tǒng)峰值速率、用戶吞吐量和接入用戶量與系統(tǒng)帶寬成正比關(guān)系。TD-LTE采用時分雙工（TDD）方式，上下行工作在相同的頻段，用時間來分割接收和發(fā)送信道，通過保護帶寬來消除時域的“展寬”和“震蕩”現(xiàn)象。保護帶寬越大，分配到系統(tǒng)帶寬之外的能量越小，但頻譜資源的損失也越大。LTE協(xié)議支持1.4M、3M、5M、10M、15M、20M等六種靈活的信道帶寬配置，不同系統(tǒng)帶寬下，TD-LTE傳輸帶寬和保護帶寬的關(guān)系如表1。

表1　TD-LTE傳輸帶寬和保護帶寬的關(guān)系

2.3 循環(huán)前綴（CP）長度

為避免嚴重的符號間干擾（ISI）和子載波間干擾（ICI），循環(huán)前綴CP的長度需遠遠大于無線信道的最大時延擴展。但是CP過長會帶來額外的頻譜效率損失。在TD-LTE系統(tǒng)中，正常CP的開銷 =（5.21+6×4.67）/500 = 6.67%，擴展CP的開銷 =16.67×6/500=20%。CP的長度與基站的覆蓋半徑相關(guān)，一般情況下配置普通CP即可滿足要求。郊區(qū)、農(nóng)村等廣覆蓋場景，可配置擴展CP，增大小區(qū)覆蓋半徑。但CP長度配置越大，系統(tǒng)開銷也就越大，反而會降低系統(tǒng)容量。

2.4上下行時隙及特殊子幀配置

在TD-LTE系統(tǒng)中一個10ms的無線幀分為兩個半幀，每個半幀由5個長度1ms的子幀組成。每半幀包括4個普通子幀和1個特殊子幀，普通子幀由2個時隙組成，特殊子幀由下行導(dǎo)頻時隙（DwPTS）、保護時隙（GP）和上行導(dǎo)頻時隙（UpPTS）等3個時隙組成。GP為特殊時隙內(nèi)上下行轉(zhuǎn)換點保護間隔， GP的設(shè)置影響小區(qū)的最大覆蓋半徑，小區(qū)理論最大覆蓋半徑 = C×GP/2，其中C為光速。GP越大，覆蓋距離也越大，從而影響系統(tǒng)覆蓋容量。

2.5調(diào)度算法

TD-LTE系統(tǒng)經(jīng)典資源分配技術(shù)，主要考慮小區(qū)吞吐量和用戶之間的公平性這兩個因素，分配算法也是這兩個因素之間的折中。主要包括輪詢（Round Robin，RR）調(diào)度、最大載干比（Max C/I）調(diào)度和正比公平（Proportional Fair，PF）調(diào)度三種調(diào)度算法。

輪詢調(diào)度只考慮用戶的公平性，小區(qū)內(nèi)的用戶按照某種確定順序循環(huán)占用等時間的無線資源進行通信。輪詢調(diào)度算法，能保證用戶的公平性，實現(xiàn)也較為簡單，但是由于沒有考慮無線信道的時變特點，會造成較大的資源浪費，不能達到較高的系統(tǒng)容量。

最大載干比算法只考慮吞吐量，完全不考慮用戶之間的公平性，該算法的基本思想是在每個調(diào)度周期內(nèi)，對所有用戶依據(jù)其接收到信號的載干比進行排序，按照載干比從大到小的順序依次選擇用戶進行調(diào)度。最大載干比算法可以最大限度的提高系統(tǒng)吞吐量，但是信道條件較差的用戶長期得不到服務(wù)，不能滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。

正比公平算法通過對吞吐量和用戶公平性進行折中而產(chǎn)生，其目的是保證小區(qū)吞吐量的同時，兼顧不同用戶的公平性。傳統(tǒng)正比公平算法用戶優(yōu)先級與用戶在t時刻的載干比成正比，與用戶在一段時間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)傳輸速率成反比，在一個多用戶的小區(qū)內(nèi)，按照用戶優(yōu)先級從高到低的順序依次選擇用戶進行服務(wù)，實現(xiàn)了最大系統(tǒng)吞吐量和保證用戶公平性之間的折中。與RR和Max C/I相比，PF算法實現(xiàn)較為復(fù)雜。

3　TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量評估標(biāo)準(zhǔn)

2G網(wǎng)絡(luò)是“固定管道”容量，主要承載語音業(yè)務(wù)，也即是“固定管道”承載固定速率業(yè)務(wù)，系統(tǒng)的單載波容量和單用戶占用的“管道資源”基本恒定。2G網(wǎng)絡(luò)的容量受限，主要體現(xiàn)在通話用戶數(shù)超過網(wǎng)絡(luò)管道數(shù)，表征為網(wǎng)絡(luò)利用率高導(dǎo)致用戶無法接入、網(wǎng)絡(luò)擁塞、掉話等網(wǎng)絡(luò)問題，因此2G網(wǎng)絡(luò)可以用資源利用率指標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)擴容的單一指標(biāo)，即可較好的滿足用戶感知。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量相對于傳統(tǒng)的2G網(wǎng)絡(luò)差異較大，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)是“動態(tài)管道”。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)主要承載會話類、流媒體類、交互類和背景類等非固定速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不同種類的業(yè)務(wù)應(yīng)用于不同的場景，具備不同的QoS性能特征。TD-LTE承載業(yè)務(wù)的速率基于用戶的業(yè)務(wù)類型和信道條件自適應(yīng)的選擇不同的調(diào)制方式、編碼方式、數(shù)據(jù)塊的大小和數(shù)據(jù)速率。用戶數(shù)多、頻譜效率低都會導(dǎo)致用戶速率低，降低用戶感知。因此單一的資源利用率不再適合作為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的容量標(biāo)準(zhǔn)。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量評價體系需要綜合考慮設(shè)備能力和資源消耗情況對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和用戶感知的影響。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量有很多表征指標(biāo)，如小區(qū)吞吐量、用戶吞吐量、激活用戶數(shù)、非激活用戶數(shù)、VoLTE容量、最大在線用戶數(shù)和最大并發(fā)用戶數(shù)等。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)空口質(zhì)量、不同種類業(yè)務(wù)占比、用戶面、控制面等會影響網(wǎng)絡(luò)頻譜效率、小區(qū)吞吐量、用戶數(shù)、用戶速率及用戶感知擁塞率等指標(biāo)。其余指標(biāo)主要與設(shè)備性能相關(guān)。

4　TD-LTE網(wǎng)絡(luò)擴容標(biāo)準(zhǔn)

由于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)通常采用同頻組網(wǎng)，屬于自干擾的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)和業(yè)務(wù)達到一定規(guī)模后，小區(qū)吞吐量和無線資源利用率會出現(xiàn)拐點，即網(wǎng)絡(luò)負荷達到一定程度且未有效分流時網(wǎng)絡(luò)容量會惡化。因此根據(jù)目前TDLTE網(wǎng)絡(luò)的負荷情況，建議在分析和優(yōu)化系統(tǒng)容量時，優(yōu)先選出高價值高負荷的小區(qū)進行優(yōu)化。評估小區(qū)的容量應(yīng)主要從小區(qū)業(yè)務(wù)特征、無線資源利用率、有效RRC連接數(shù)等幾個方面考慮。

4.1現(xiàn)網(wǎng)載波擴容標(biāo)準(zhǔn)

中國移動通信集團傳統(tǒng)擴容標(biāo)準(zhǔn)從邊緣用戶1M速率出發(fā)，按利用率、用戶數(shù)、流量三個維度判決擴容需求。典型的門限標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為小區(qū)忙時TD-LTE網(wǎng)絡(luò)無線資源利用率〉=利用率門限（50%）；小區(qū)忙時有效RRC連接平均數(shù)〉=用戶容量門限（30個）；忙時小區(qū)下行流量〉=下行流量門限（5GB）或忙時小區(qū)上行流量〉=上行流量門限（1GB），以上三點滿足任一點時，即觸發(fā)TDLTE網(wǎng)絡(luò)擴容需求。

4.2 基于用戶感知的載波擴容標(biāo)準(zhǔn)

基于用戶感知的載波擴容標(biāo)準(zhǔn)從業(yè)務(wù)模型出發(fā)，評估現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，得出合理的擴容門限，主要分三個步驟：

第一步，預(yù)測用戶感知目標(biāo)。首先，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)中網(wǎng)頁瀏覽、即時通信、社交網(wǎng)絡(luò)、視頻、文件傳輸、郵件、游戲及其他不同業(yè)務(wù)類型上下行速率基準(zhǔn)和單用戶忙時并發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)，結(jié)合不同業(yè)務(wù)占比得出單用戶感知保障速率；然后，根據(jù)預(yù)測得出，下一階段用戶上行和下行速度基線。根據(jù)目前現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，推薦用戶保障速率為DL=5Mbit/s，UL=0.5Mbit/s。

第二步，根據(jù)估算出的用戶上下行基準(zhǔn)速率，預(yù)測對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)利用率、RRC連接數(shù)及忙閑率（K值）。首先根據(jù)無線話筒分析，得出現(xiàn)網(wǎng)不同網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型“網(wǎng)絡(luò)利用率-用戶感知速率”的大數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)趨勢，隨著網(wǎng)絡(luò)PRB利用率上升，用戶感知逐漸變差。然后以年為單位，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)利用率和RRC連接數(shù)。為保障較好的業(yè)務(wù)體驗，小區(qū)帶寬需求應(yīng)該保證在業(yè)務(wù)平均速率需求的2倍左右，最后依據(jù)業(yè)務(wù)需求、資源占用特征，預(yù)測出合理的忙閑率系數(shù)。用戶下行保障速率5Mbit/s時，根據(jù)預(yù)測對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)利用率30%～40%，RRC連接數(shù)40～60，“平均利用率”約為“最大利用率”0.5倍，即K=0.5。

第三步，根據(jù)空口質(zhì)量和利用率計算單載波流量承載能力。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，目前移動TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)宏小區(qū)CQI分布中值為10，小區(qū)滿載速率22Mbit/s。PRB利用率=35%、CQI =10時，對應(yīng)單載波流量承載能力約3GB/hour。因此基于3秒網(wǎng)絡(luò)體驗、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型和覆蓋情況，得出TD-LTE單小區(qū)忙時流量承載能力約3GB。

根據(jù)上述分析，建議的載波擴容標(biāo)準(zhǔn)，以下兩條滿足一條即可擴容。（1）小區(qū)自忙時，當(dāng)載波忙閑率大于門限（60%）且小區(qū)吞吐量大于門限（3GB），且RRC平均連接數(shù)大于門限（50）時，通過增加載頻擴容；（2）小區(qū)自忙時，當(dāng)RRC數(shù)大于200時，通過增加載頻擴容。

5　TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化方法

5.1 TD-LTE擴容觸發(fā)場景

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)用戶行為會出發(fā)不同場景的容量問題，主要包括常規(guī)擴容、突發(fā)大話務(wù)和價值區(qū)域流量經(jīng)營等三種擴容場景，觸發(fā)基于感知的載波擴容、基于用戶數(shù)的載波擴容和基于設(shè)備負荷的硬件擴容三種擴容方式。

常規(guī)擴容場景主要是由于系統(tǒng)用戶數(shù)增加，用戶吞吐量及小區(qū)吞吐量增加，網(wǎng)絡(luò)資源利用率上升，從而導(dǎo)致用戶速率下降，引發(fā)用戶接入受限和體驗受限，觸發(fā)基于用戶感知的擴容，主要采用基于用戶感知和用戶數(shù)的載波擴容。

突發(fā)大話務(wù)場景，一般是由于某區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)突然增加，設(shè)備負荷抬升引發(fā)資源不足，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)接入擁塞，此時基于網(wǎng)絡(luò)安全考慮，需對網(wǎng)絡(luò)進行擴容，主要采用基于用戶數(shù)的載波擴容或基于設(shè)備負荷的硬件擴容。

價值區(qū)域流量經(jīng)營是指同一地區(qū)，本運營商的用戶速率低于其他運營商用戶速率，用戶感知較差，為提高用戶感知和品牌影響力，增強自身競爭力，基于競爭考慮，采用基于用戶感知的載波擴容。

5.2 TD-LTE常用優(yōu)化擴容方法

業(yè)務(wù)分流和載頻擴容作為2/3G網(wǎng)絡(luò)常規(guī)的容量提升方法，在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)仍然適用。同時由于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)自身的技術(shù)特性，有更加豐富的容量優(yōu)化方法，如多網(wǎng)多頻段協(xié)同優(yōu)化和分流、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率使用策略調(diào)整、異構(gòu)網(wǎng)應(yīng)用和新技術(shù)應(yīng)用等。

載頻擴容通過在原小區(qū)增加TD-LTE載頻的方式提升基站吸收業(yè)務(wù)的能力，擴容后終端根據(jù)場強選擇駐留和發(fā)起業(yè)務(wù)的載頻。載頻擴容極大改善用戶體驗和基站業(yè)務(wù)承載能力，此方法也是最為有效、最直接的容量提升方法。

由于采用同頻組網(wǎng)，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求非常高，不合理的過近站、超高站等站點造成重疊覆蓋，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響較大。通過調(diào)整工程參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、功率或站點整治等方式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于提升網(wǎng)絡(luò)容量和小區(qū)容量。同時，靈活部署一系列功能多樣的小微基站來提升頻率使用效率，對網(wǎng)絡(luò)盲點和熱點實現(xiàn)高質(zhì)量的的覆蓋，吸收和分流業(yè)務(wù)，提升整個網(wǎng)絡(luò)容量。

在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中，首先應(yīng)考慮保護已有投資，盡量在不額外追加投資或大規(guī)模替換的情況下提升網(wǎng)絡(luò)容量，即優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整頻率的方式提升小區(qū)容量。在以上方法效果不明顯的情況下，考慮通過載波擴容和異構(gòu)網(wǎng)、小區(qū)分裂等需新增設(shè)備和投資的方式提升網(wǎng)絡(luò)容量。容量優(yōu)化新技術(shù)引入應(yīng)通過試點的形式論證并陸續(xù)推廣，使用時重點注意應(yīng)用場景和新技術(shù)的局限性。

6　結(jié)束語

TD-LTE系統(tǒng)容量影響可承載業(yè)務(wù)量的，也越來越重要影響著4G網(wǎng)絡(luò)的用戶感知度。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量評估及擴容優(yōu)化，是提升用戶業(yè)務(wù)感知和運營商收入的重要手段之一，對提升運營商品牌形象也至關(guān)重要。隨著TDLTE網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的建設(shè)和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)容量分析優(yōu)化方法的研究也受到行業(yè)的關(guān)注，具有深遠意義。

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